Введение

Магнитоэлектрический (МЭ) эффект характеризуется возникновением электрического напряжения на МЭ композите под воздействием приложенного внешнего магнитного поля. Он представляет большой интерес у исследователей в связи с перспективными возможностями в области практических применений. Поиск наилучших материалов для каждой фазы, геометрия составляющих МЭ композита позволят значительно усилить МЭ отклик и адаптировать свойства композита под конкретные практические задачи. Управление этими параметрами открывает путь к созданию нового поколения устройств – от высокочувствительных датчиков [1, 2, 3] до миниатюрных антенн [4, 5]. Однако реализация этого потенциала требует проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований. Ранее уже был рассмотрен МЭ эффект в несимметричных однослойных МЭ структурах с использованием волокон из магнитострикционного сплава и пьезоэлектрической пластины [6], где показано, что наибольшее выходное МЭ напряжение наблюдается в композите с наибольшим числом магнитострикционных волокон.

В данной работе будет рассмотрен низкочастотный МЭ эффект в симметричных структурах, где в качестве магнитострикционной фазы используется магнитострикционный сплав с различной геометрией.

Цель исследования

Целью данного исследования является выявление геометрии магнитострикционной фазы симметричной МЭ структуры, в которой наблюдается наибольший МЭ коэффициент, по сравнению с другими рассматриваемыми конфигурациями.

Материал и методы исследования

Экспериментальное исследование низкочастотного МЭ эффекта в режиме продольной моды проводилось на симметричных МЭ композитах, где в качестве магнитострикционной фазы выступал аморфный магнитомягкий сплав АМАГ-225, расположенный с двух сторон пьезоэлектрической фазы – пластины цирконат-титаната свинца (ЦТС-19) размером 30 × 10 × 0,5 мм3. Общая структура симметричных МЭ композитов представлена ниже, на рисунке 1.

Рисунок 1 – Общая структура симметричных МЭ композитов
АМАГ-225 / ЦТС-19 / АМАГ-225

Всего было изготовлено 5 образцов, которые представлены на рисунке 2: образец №1 – пластина АМАГ-225 / ЦТС-19 / пластина АМАГ-225; образец №2 – 9 волокон АМАГ-225 / ЦТС-19 / 9 волокон АМАГ-225; образец №3 – 5 волокон АМАГ-225 / ЦТС-19 / 5 волокон АМАГ-225; образец №4 – 6 волокон АМАГ-225 в замкнутой системе / ЦТС-19 / 6 волокон АМАГ-225 в замкнутой системе; образец №5 – 3 волокна АМАГ-225 в замкнутой системе / ЦТС-19 / 3 волокна АМАГ-225 в замкнутой системе. Пьезоэлектрическая и магнитострикционная фазы соединялись с помощью клея БФ-4.

Рисунок 2 – Изготовленные МЭ образцы

На изготовленных образцах МЭ эффект проявлялся в виде возникновения электрического напряжения на выводах композитов под воздействием внешнего переменного магнитного поля в присутствии постоянного подмагничивающего поля.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе экспериментальной работы по исследованию МЭ эффекта в симметричных магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах были получены зависимости МЭ коэффициента по напряжению αME от частоты f, которые представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Графики зависимостей МЭ коэффициента по напряжению от частоты для пяти изготовленных структур

Как видно из полученных экспериментальных графиков, представленных на рисунке 3, наибольший МЭ отклик наблюдается в образце №2, где максимальный αME достигает 28,9 В/(см⸱Э) на резонансной частоте fрез, равной 52,2 кГц. На структуре из пластин АМАГ-225 и ЦТС-19 (образец №1) наблюдается в 2,5 раза меньший МЭ коэффициент по напряжению и составляет 11,5 В/(см⸱Э) при fрез = 50,9 кГц. На образцах №3, 4, 5 получены максимальные значения αME, равные 1,32 В/(см⸱Э), 13,8 В/(см⸱Э) и 5,32 В/(см⸱Э), а их резонансные частоты составили 50,6 кГц, 51,2 кГц и 50,1 кГц, соответственно. То есть образцы с магнитострикционными волокнами в замкнутой системе не показали значительного увеличения МЭ эффекта по сравнению со структурой на основе пластин.

Результаты экспериментальной работы демонстрируют, что в симметричной МЭ структуре с магнитострикционной фазой в виде 9 несоединенных волокон, полностью покрывающих пьезоэлектрическую пластину с двух сторон, наблюдается наибольший МЭ эффект по сравнению с другими рассматриваемыми конфигурациями магнитострикционной фазы. Это связано с тем, что отдельные магнитострикционные волокна, ориентированные перпендикулярно плоскости пластины пьезоэлектрика, деформируются преимущественно вдоль своей длинной оси и деформация в них носит более локализованный и направленный характер, что обеспечивает более эффективную передачу механического напряжения на пьезоэлектрическую фазу.

Заключение

Таким образом, в ходе экспериментального исследования была выявлена геометрия магнитострикционной фазы симметричной МЭ структуры, в которой наблюдается наибольший МЭ отклик, по сравнению с другими рассмотренными конфигурациями. Полученный результат показывает большую перспективность исследований МЭ эффекта в структурах с использованием волокнистой магнитострикционной фазы для дальнейшего практического применения в устройствах, требующих повышенной чувствительности к изменениям внешних магнитных или электрических полей.